DE4204117A1

DE4204117A1 - Verfahren zum schuetzen eines substrates aus einem titanmaterial gegen oxidation

Info

Publication number: DE4204117A1
Application number: DE4204117A
Authority: DE
Inventors: Albert G Tobin
Original assignee: Grumman Aerospace Corp
Current assignee: Grumman Corp
Priority date: 1991-02-19
Filing date: 1992-02-12
Publication date: 1992-08-27
Also published as: GB9203438D0; GB2252930A; GB2252930B; US5129574A; FR2672832A1; FR2672832B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schützen eines Substrates aus einem Titanmaterial gegen Oxidation.

Es hat sich gezeigt, daß Titanaluminide unter der Unmöglich keit leiden, eine selbst-schützende, oxidationsfeste Barriere auszubilden, wenn sie einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt sind; d. h. sie können keine Passivierungsschicht bilden. Der Grund dafür liegt darin, daß die Legierung dazu tendiert, Zunder oder Schuppen gemischter Oxide zu bilden, die dazu tendieren, während thermischer Zyklen Risse zu bilden und eine komplexe Oxidschicht zu bilden, die von der Oberfläche abbricht. Zusätzlich löst der Oxidfilm, der in Kontakt mit dem Metallsubstrat steht, etwas von dem Sauerstoff des Oxid zunders. Das führt zu einer Diffusion von Sauerstoff von der Oberfläche in das Metallsubstrat und zu einer darauffol genden Versprödung.

In dem Fall eines Metalleinlagerungsverbundwerkstoffes (Metallmatrixkomposit - MMC), der aus Filamenten hoher Festigkeit besteht, das in der Metallmatrix eingelagert ist, entstehen zusätzliche Komplikationen aufgrund des inneren Stresses, der durch die Fehlanpassung der thermischen Expan sion zwischen den Fibern und der Matrix erzeugt wird. Dieses führt zur Rißbildung an der Oberfläche während zyklischer Oxidation, zu Rißausbreitung in die Metallmatrix und zu einem schließlichen mechanischen Versagen des Verbundstoffes.

Es ist daher das der Erfindung zugrunde liegenden Problem, eine oxidationsfeste Oberfläche auf Titanmaterialien vorzu sehen, die nicht die mechanischen Eigenschaften des unter liegenden Materiales verschlechtert.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Schützen eines Substrates aus einem Titanmaterial gegen Oxidation gelöst, das die Schritte des Patentanspruches 1 aufweist.

Durch dieses Verfahren wird eine verformbare Oberflächen schicht gebildet, die an dem Substrat haftet und ein schüt zendes Oberflächenoxid bildet, das einer oxidierenden Umge bung ausgesetzt ist. Dies kann bevorzugt erzielt werden, indem eine verformbare Folie bzw. ein verformbarer Belag aufgebracht wird, der eine niedrige Lösbarkeit und Diffun dierfähigkeit für Sauerstoff aufweist und ein Schutzoxid auf der einer oxidierenden Umgebung ausgesetzten Oberfläche bildet. Eine Untersuchung der Kandidaten für die Legierung, die diese Anforderungen erfüllen, ergab, daß dünne Aluminium folien aus FeCrAl, FeNiCr, NiCrAl und NiCr sowie die entspre chenden Hinzufügungen von Yttrium zu diesen Legierungen ge eignet sind zum Vorsehen des gewünschten Oxidationswider standes.

Insbesondere werden oxidationsfeste Folien an einem Titan aluminiumsubstrat mit Hilfe einer Löttätigkeit angebracht. Eine kommerziell verfügbare Lötlegierung auf Silberbasis wird in der Form einer Folie erhalten und zwischen dem Titan aluminiumsubstrat und einer oxidationsfesten Folie einge schlossen. Es können jedoch auch andere Lötlegierungen be nutzt werden, z. B. Titan oder Gold. Der Schichtaufbau der Folien und des Substrates wird Löttemperaturen und Druck ausgesetzt, bis eine gute Verbindung zwischen den Folien und dem Titanlegierungssubstrat erzielt wird.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figur.

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer gelöteten oxidationsfesten Folie, die durch eine Ausführungsform des Verfahrens erzielt worden ist.

Ein Substrat 10 aus einer Titanlegierung, wie ein Titan aluminid ist die Schicht, die Oxidationsschutz braucht, wie oben diskutiert worden ist. Eine oxidationsfeste Folie 14 sorgt für diesen Schutz, und sie wird an dem Substrat 10 mit Hilfe einer Lötfolie/Hartlötfolie 12 auf Silberbasis angebracht. Andere Lötfolien, wie Titan oder Gold, können ebenfalls benutzt werden. Eine oxidationsfeste Folie kann eine Dicke im Bereich von 0,0005-0,003 Zoll (0,00127- 0,00762 cm) aufweisen. Eine aus einer Zahl von kommerziell verfügbaren Lötfolien auf Silberbasis wird als Folie 12 ein gesetzt. Sie weise eine Dicke im Bereich von 0,001-0,003 Zoll (0,00254-0,00762 cm) auf. Die folgende Tabelle 1 gibt eine repräsentative Anzahl von kommerziell verfügbaren Löt folien auf Silberbasis an:

Tabelle 1

Lötlegierungsauswahl

Zum Herstellen des durch eine Schicht geschützten Substrates wird die in der Figur gezeigte Anordnung von Schichten in einen Vakuumofen gebracht, und ein Gewicht, das einen Druck von 1-5 psi (0,06895-0,34475 bar) ausübt, wird auf die Anordnung gesetzt zum Erzielen eines engen Kontaktes zwi schen den Schichten während der Löttätigkeit. Evakuieren auf einen Druck herunter auf mindestens 10^-4 Torr ist not wendig. Die Löttemperaturen werden durch die Eigenschaften der Lötlegierung bestimmt. Tabelle 1 gibt die typischen Eigenschaften der kommerziell verfügbaren Lötlegierungen auf Silberbasis an, die für diese Tätigkeit benutzt wurden. Die Solidustemperatur bestimmt die obere nutzbare Temperatur für den gelöteten Komposit in einer oxidierenden Umgebung. Typische Löttemperaturen schwanken von 1-5 Minuten. Weiter hin ist es ebenfalls wünschenswert, daß die Lötlegierung etwas Oxidationsfestigkeit bei der Verwendungstemperatur zeigt, wenn Kanten- oder Endeffekte zu vermeiden sind.

Die folgende Tabelle 2 zeigt die Beobachtungen den Zwischen schichtreaktion, die als Resultat der Löttätigkeit erhalten worden ist.

Tabelle 2

Materialzusammensetzung

Diese Tabelle zeigt, daß verschiedene Kombinationen von Löt legierungen und verformbaren Folien untersucht wurden. Es wurde allgemein beobachtet, daß die Löttätigkeit zu einer deutlichen Diffusion der Lötlegierungselemente in das Alu minid führte. Die FeCrAl-Folien zeigten wenig Reaktion mit dem Lötmittel, während eine deutliche Reaktion mit den NiCr Folien beobachtet wurde. Auf dieser Grundlage wurde geschlos sen, daß die FeCrAl-Folie ein besseres Potential zum Bilden eines Oberflächenschutzsystemes für das Substrat 10 bieten würde.

Eine Zahl von Elementarverteilungen für gelötete Folien wurden aufgezeichnet, und sie zeigten, daß eine hervorragende Verbindung zwischen den Folien und dem Titanlegierungssubstrat folgt, obwohl eine signifikante metallurgische Reaktion während der Löttätigkeit auftreten kann. Es ist noch eine weitere Untersuchung zum Bestimmen nötig, welche - wenn überhaupt - Effekte das Löten auf die mechanischen Eigenschaften der Titanlegierung hat.

Das vorliegende Verfahren erzeugt eine nachgiebige oder ver formbare oxidationsfeste Oberfläche für Titanlegierungen durch Benutzung von Lötlegierungen auf Silberbasis oder anderer Metallbasis (z. B. Gold, Titan), wobei die Lötlegie rungen als Verbindungsmittel zum Verbinden einer oxidations festen Folie mit einem Titanlegierungssubstrat dienen. Das vorliegende Verfahren hat den Vorteil der Erzeugung einer verformbaren bzw. geschmeidigen oxidationsfesten Oberfläche für Titanlegierungen, deren obere Verwendungstemperatur in einer oxidierenden Umgebung durch die Solidus-Temperatur der Lötlegierung bestimmt wird.

Claims

1. Verfahren zum Schützen eines Substrates (10) aus einem Titanmaterial gegen Oxidation, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Abscheiden einer Folie (12) aus einem Lötmaterial auf min destens einer Oberfläche des Substrates (10);
- Abscheiden einer oxidationsfesten Folie (14) auf der Löt folie (12) zum Bilden eines Aufbaus;
- Evakuieren des Raumes um den Aufbau zum Erzeugen eines Vakuums von mindestens 10^-4 Torr;
- Anlegen eines Druckes von 1-5 psi an die Oberfläche der oxidationsfesten Folie (14) zum Sicherstellen eines engen Kontaktes zwischen der Folie (14) und dem Substrat (10) und
- Anwenden einer bezüglich Temperatur und Zeit ausreichenden Wärmebehandlung auf den Aufbau zum Löten der oxidations festen Schicht (14) an das Substrat (10).

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) eine Titan legierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) ein Titan aluminid ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidationsfeste Folie (14) FeCrAl ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötfolie (12) ein Lötlegie rungsmaterial auf Metallbasis ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die Silber, Gold und Titan aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Lötfolie (12) 0,001-0,003 Zoll beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der oxidationsfesten Folie (14) 0,0005-0,003 Zoll beträgt.